Empirische Formeln beschreiben das Verhältnis jeder Atomart in einem Stoff. Das Wort „empirisch“ bezieht sich auf den Ursprung empirischer Formeln in beobachtbaren Ergebnissen; das heißt, die Formeln werden experimentell bestimmt. Wissenschaftler testen die Zusammensetzung unbekannter Verbindungen, indem sie ihre Bildung oder ihre Wechselwirkungen mit bekannten Substanzen beobachten. Das Verhältnis der Atome in einer Verbindung gibt nur eine grobe Vorstellung von ihrer Natur, ist aber eine Grundlage für weitere Untersuchungen.
Wenn Wissenschaftler eine Verbindung herstellen können und die Zusammensetzung der Reagenzien oder der reagierenden Substanzen kennen, können sie die Summenformel des Produkts bestimmen. Sie führen die Reaktion zum Produkt durch, ohne unumgesetzte Inputs zu hinterlassen. Sie überwachen auch die Anteile der Reagenzien, die in die Reaktion eingehen. Es ist wichtig, dass sie eher den Anteil der Moleküle der Reagenzien als den Anteil an Masse oder Volumen kennen, da diese Messungen für verschiedene Moleküle variieren können. Der Anteil der Reagenzien gibt ihnen den Anteil der Atome im Produkt an, da alle von ihnen eingebrachten Moleküle in der Reaktion verwendet werden.
Eine andere Methode zur Bestimmung empirischer Formeln besteht darin, eine Verbindung mit einer anderen Substanz reagieren zu lassen und die Reaktionsprodukte zu beobachten. Wissenschaftler verwenden diese Methode häufig, um Kohlenwasserstoffe zu analysieren, Substanzen, die nur Kohlenstoff- und Wasserstoffatome enthalten. Sie verbrennen unbekannte Kohlenwasserstoffe und sammeln das bei der Reaktion entstehende Kohlendioxid und Wasserdampf.
Wenn ein Kohlenwasserstoff verbrennt, reagiert er mit Sauerstoff; die Reaktion kann als A CfHg + B O2 –> D CO2 + E H2O dargestellt werden, wobei A, B, D und E die Anteile der Moleküle in der Reaktion und f und g die Anteile von Kohlenstoff und Wasserstoff im Kohlenwasserstoff darstellen . Die Experimentatoren messen die Masse von Kohlendioxid und Wasserdampf. Dann dividieren sie diese Zahlen durch das Molekulargewicht der jeweiligen Verbindungen. Für Kohlendioxid ist die resultierende Zahl die gleiche wie die Zahl der Kohlenstoffatome, aber sie müssen die Zahl der Wassermoleküle mit zwei multiplizieren, um die Zahl der Wasserstoffmoleküle zu erhalten. Sie finden die kleinsten ganzen Zahlen, die das Verhältnis von C und H beibehalten, und das sind f und g in der Gleichung: die Indizes der empirischen Formel.
Empirische Formeln geben nicht die genaue Struktur eines Moleküls an. Acetylen und Benzol zum Beispiel sind Kohlenwasserstoffe, die die gleiche Anzahl von Kohlenstoff- und Wasserstoffatomen enthalten, daher lautet die empirische Formel jeweils CH. Die Summenformel von Acetylen ist C2H2, während die von Benzol C6H6 ist. Sie haben sehr unterschiedliche Eigenschaften, obwohl sie die gleiche empirische Formel haben. Acetylen ist ein hochexplosives Gas zum Schneiden und Schweißen; Sechs-Kohlenstoff-Benzolringe sind der maßgebliche Bestandteil von Aromastoffen und sind in vielen der für Geschmack und Geruch verantwortlichen Moleküle enthalten.